JP2014235421A - 光信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高次光による影響を低減した光信号処理装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの入力導波路、スラブ導波路、及びアレイ導波路からなるアレイ導波路格子を含む光導波路基板４０１と、ＬＣＯＳ４０６と、光導波路基板からの光を導波する空間光学系とを備えた光信号処理装置において、アレイ導波路を構成する複数の導波路列（５０１，５０２，５０３）の間隔が光導波路基板端面の極近傍において狭くなるように構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、光信号処理装置に関し、より詳細には光通信ネットワークノードにおける光信号処理装置に関する。

石英系平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術は、その機能性・安定性・量産性の良さから、今日光ネットワークの随所で用いられている。昨今では、空間光学をベースにした波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｗｉｔｃｈ）のような光信号処理装置においても、その一部にＰＬＣを活用する研究開発が行われている。

図１は、非特許文献１に開示されている、波長選択スイッチ（以下単にスイッチ又はＷＳＳとも言う。）の概略を示している。図１の波長選択スイッチは、ＰＬＣ１０１、レンズ１０２、回折格子１０３、レンズ１０４、ビーム偏向素子１０５を備える。非特許文献１では、ビーム偏向素子１０５として、マトリックス状に配置されたＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）技術による液晶セルを用いている。この構成では、ＬＣＯＳ１０５に入射するビームはスイッチ軸方向（図中Ｙ軸方向）に数１００μｍ程度の大きさであることが好ましく、そのビーム径を実現するようにＰＬＣ１０１が作製される。

図１に示したスイッチの動作は以下の通りである。すなわち、入力導波路１０６から入力された光信号は、スラブ導波路１０７を介して、アレイ導波路１０８へと結合し、ＰＬＣ１０１出力端から出射される。アレイ導波路１０８はすべて等長であるため、出射する光ビームの角度は波長に依らない。この入力導波路１０６、スラブ導波路１０７、アレイ導波路からなる回路はＳＢＴ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｂｅａｍ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）と呼ばれる。ＰＬＣ１０１から出力された光信号は、レンズ１０２、回折格子１０３、レンズ１０４を経由して、ＬＣＯＳ１０５に入力する。回折格子１０３によって分光された各波長成分は、紙面に垂直な方向（図中Ｘ軸方向）に空間展開されている。ＬＣＯＳ（１０５）は、各波長が所望の出力ポートに出力されるよう、ＰＬＣの基板がなす面（ＹＺ面）内で、ビームを偏向、反射する。反射した光はレンズ１０４、回折格子１０３、レンズ１０２を介して、ＰＬＣ１０１へと伝搬する。ここで、戻ってきた光信号の主光線は、点Ａにおいて、往路の光信号の主光線と交わる。この点Ａはレンズ１０２の前焦点位置に相当する。ＰＬＣ１０１に戻った光信号は、ＰＬＣに対して出射時とは異なる角度で戻る。したがって、スラブ導波路１０７において入力光と異なる角度の波面をもって戻るため、たとえば出力ポート１０９へと結合する。出力ポートの選択はＬＣＯＳのピクセルで付与する位相分布を変えることで実現でき、波長選択スイッチ機能が実現される。

非特許文献１に開示される光学系は、特に空間光学系の部分を４ｆ光学系と呼ぶものである。このような光学系では、点Ａにて各光線が交わる構成をとるため、ＰＬＣ１０１は図１に示されるように、入力ポート１０６、出力ポート１０９ともに同一のスラブ導波路１０７の異なる位置に接続される。

図２は、特許文献１に開示されている、波長選択スイッチの概略を示している。（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。図２に示すスイッチは、ＰＬＣ１０１、シリンドリカルレンズ２０２、主レンズ２０３、液晶型位相変調器（ＬＣＯＳ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）２０４を備える。ＰＬＣ１０１は、入出力導波路１０６、スラブ導波路１０７、アレイ導波路１０８からなるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）がアレイ状に配置された構成になっており、１つのＡＷＧが入力用、その他のＡＷＧが出力用に用いられる。入力ＡＷＧから出射した光は波長ごとに異なる角度をもって空間に射出し、主レンズ２０３を通ってＬＣＯＳ２０４に達する。ＬＣＯＳ２０４では各波長に対して、ＰＬＣ１０１の所望の出力ポートから出力されるように、ＰＬＣ面内（ＹＺ面内）の方向にビームの反射角度を制御する。反射した光は主レンズ２０３、シリンドリカルレンズ２０４を通って、ＰＬＣ１０１に戻る。それぞれの出力ＡＷＧでは、異なる角度で入射する複数の異なる波長の信号を多重し、それぞれの出力ポートから出射する。これにより、波長選択スイッチとして働く。特許文献１に開示される光学系は、非特許文献１と異なり、特に空間光学系の部分を２ｆ光学系と呼ぶものである。

特開２００９−１６８８４０号公報

K. Seno, K. Suzuki, N. Ooba, T. Watanabe, M. Itoh, T. Sakamoto, and T. Takahashi, "Spatial beam transformer for wavelength selective switch consisting of silica-based planar lightwave circuit," in Proc. OFC2012, paper JTh2A.5.

しかしながら、非特許文献１に開示された波長選択スイッチ（図１）は以下のような問題があった。すなわち、ＬＣＯＳ１０５で光路を変化させられた光がＳＢＴに再結合する際において、光が斜めから入射した場合、垂直に入射した場合よりも損失が大きくなる。したがって、このＷＳＳは、出力するポートによって損失が異なり、通信品質の劣化につながる。

また、特許文献１に開示された波長選択スイッチ（図２）は、各ＡＷＧの中心波長が一致しないという問題があった。これは、製造誤差があるため、ＡＷＧの導波路長差ΔＬがＡＷＧによってわずかに異なることが原因である。中心波長が一致しないと、同じ角度で入射しても、ＡＷＧによって挿入損失がばらつく。すなわち、出力するポートによって挿入損が異なってしまう。

また、どちらの従来例においても、ビーム形状が導波路同士の方向性結合により乱れないよう、出射端面における導波路間隔は広く設計する必要があった。導波路同士の方向性結合とは、となりあう導波路間でのクロストークに対応する。すると、出射するビームの高次回折光が、０次光に対して狭い角度で出射する。したがって、その高次回折光の光路もレンズの有効径の中に含まれるため、０次光と同じように出力側のＳＢＴ（ＡＷＧ）の端面に戻ってくる。このことを図３を参照して説明する。

図３は、ＰＬＣ１０１にアレイ状に配置されたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）のうちの入力用ＡＷＧから出射されてＬＣＯＳ２０４で反射された光が出力用ＡＷＧへ入射する様子を示している。図３において、３０２は所望の次数の光を示し、３０３は所望の次数に隣接する次数の回折光を示し、３０６は出射するビームのプロファイルを示している。次数が異なる光は、それぞれレンズ２０３の異なる位置を通過するため、それらの間で収差に起因した位相ずれが発生する。これにより、ＰＬＣ１０１の端面に戻ってきたときには、主信号（０次光）と高次光の干渉によってビームの形状が乱れ（図３中に３０７で示すビームのプロファイルとなり）、隣接ポートへのクロストークや、光信号の位相乱れが発生してしまい、通信品質の劣化につながる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高次光による通信品質の劣化を抑制することを目的とする。また、スイッチ状態によって挿入損失が異ならない波長選択スイッチを提供することを目的とする。また、製造誤差に起因する出力ポートごとの損失不均一性が少ない波長選択スイッチを提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、少なくとも１つの入力導波路、前記入力導波路に接続されたスラブ導波路、および前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路からなるアレイ導波路格子を含む光導波路基板と、前記光導波路基板の端面から出力される光ビームを導波する空間光学系とを備えた光信号処理装置であって、前記アレイ導波路は、複数の導波路の列であり、前記光導波路基板の端面の近傍における前記複数の導波路の間隔が狭くなるように構成されている、ことを特徴とする。

一実施形態では、複数の導波路の列を有する前記アレイ導波路の構造を、前記光導波路基板の端面の近傍において、導波路間隔が広い部分と、導波路間隔を狭く変換する部分と、導波路間隔が狭い部分とがこの順に接続された構造とし、前記複数の導波路の間隔が、前記光導波路基板の端面に向かって徐々にその間隔が狭くなるように構成してもよい。光導波路基板から出力される光ビームは、光導波路基板の端面に対して光ビームの主光線がなす角度が、波長によって異ならない。一実施形態では、Ｎ（２以上の整数）本の導波路のうちのｋ番目の導波路の長さＬ（ｋ）が、何れのｋに対してもＬ（ｋ）＝Ｌ（Ｎ＋１−ｋ）となるように前記アレイ導波路を構成してもよい。一実施形態ではアレイ導波路が有する複数の導波路の長さが全て等しい。一実施形態では、前記複数の導波路の間隔を狭くすることにより生じる導波路長の差分を、補正するための補正領域を前記スラブ導波路と前記導波路の間隔を狭く変換する部分との間に備えてもよい。一実施形態では、前記補正領域は第１の領域と第２の領域とを有し、前記複数の導波路は、前記第１の領域において導波路長が順次長くなり、前記第２の領域において導波路長が順次短くなるように構成してもよい。

また、一実施形態では、前記光導波路基板に、複数の前記アレイ導波路格子を備えてもよい。一実施形態では、前記アレイ導波路格子を構成する前記スラブ導波路の前記光導波路基板の端面からの距離が、前記アレイ導波路格子毎に異なるように構成してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、高次光による通信品質の劣化を抑制した光信号処理装置を提供することが可能となる。

非特許文献１の波長選択スイッチの概略構成図である。 特許文献１の波長選択スイッチの概略構成図である。 特許文献１の波長選択スイッチのＡＷＧの端面におけるビームのプロファイルを説明する図である。 本願発明の一実施形態の光信号処理装置の概略構成図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置におけるＳＢＴの回路構成を示す図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置において高次光がＳＢＴ端面に戻ることを回避する光学系を実現する方法を説明するための図であり、（ａ）はＰＬＣから主レンズまでを示す図であり、（ｂ）はＰＬＣのビーム出射端の拡大図である。 図５のＳＢＴの回路構成の部分５０５（部分Ａ）の実現方法を説明するための図である。 図５のＳＢＴの回路構成の部分５０５（部分Ａ）の実現方法を説明するための図である。 図５のＳＢＴの回路構成の部分５０５（部分Ａ）の実現方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置におけるＳＢＴの回路構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

また、全ての実施形態において、ＰＬＣ、レンズ、回折格子、レンズ、ＬＣＯＳの順に配置したものとして図示および説明を行っているが、決してこれに限ることはない。たとえば、収差補正などの観点からレンズの枚数および形状、配置位置を変更することは単純な光学設計事項であり、これらは本発明を制限するものではない。また、説明にあたっては中心波長や導波路アレイ本数、導波路アレイピッチ等のパラメータを例示的に設定しているが、本発明においては、決してこれに限ることがないことは言うまでもない。

（実施形態１）
図４は、実施形態１の光信号処理装置を説明する図である。図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は上面図を示している。本光学系は、ＰＬＣ４０１、分散方向レンズＡ４０２、分散方向レンズＢ ４０３、主レンズ４０４、回折格子４０５、液晶位相変調器（ＬＣＯＳ）４０６を備える。ＰＬＣ４０１は、ＳＢＴがｙ軸方向に複数並べられた構成になっている。複数のＳＢＴのうち、１つが入力用に、その他が出力用に用いられる。本実施例では、各々のＳＢＴのアレイ導波路の長さが全て等長である場合について述べるが、ビームが波長に依らず同じ方向に伝搬するならば、必ずしも等長でなくても良い。一例を挙げれば、導波路の長さの分布を円弧状分布にすることで、出力ビームに初期曲率を付加することが考えられる。すなわち、ＳＢＴのアレイ導波路の長さは、導波路の数をＮ（２以上の整数）、導波路の列の任意の一方の端からｋ番目の導波路の長さをＬ（ｋ）としたとき、何れのｋに対してもＬ（ｋ）＝Ｌ（Ｎ＋１−ｋ）が成り立つように構成すればよい。

入力用ＳＢＴの入力導波路から入力された光は、スラブ導波路を広がり伝搬し、アレイ導波路に分配される。アレイ導波路はチップ端（ＰＬＣ４０１のＬＣＯＳ４０６側の端）において互いに近接した状態で終端され、ビームがチップ外へ出射する。出射するビームの主光線とチップの端面とのなす角度は、波長によって異ならない。出射した光のビームの幅は、チップの厚み方向（ｘ軸方向）には導波路の厚みで決まる狭い幅となり、チップの辺方向（ｙ軸方向）にはアレイ導波路の本数と配置間隔で決まる広い幅となるため、アスペクト比の大きなビームが得られる。

以下、本実施形態による信号処理装置を波長選択スイッチとして実施する場合の動作を説明する。
まず分散方向（ｘ軸方向）については、ＰＬＣ４０１の入力用ＳＢＴを伝搬した光は、空間に広がるビームとして出射される。従ってＰＬＣを出射したビームは分散方向レンズＡ ４０２でコリメートされて回折格子４０５に入射し、波長ごとに異なる伝搬角度変化を与えられる。次いで分散方向レンズＢ ４０３を通過し、ＬＣＯＳ４０６に達する。回折格子で与えられた角度分散は、ＬＣＯＳ上では位置分散となり、波長ごとに異なるｘ座標に集光する。波長軸方向（ｘ軸方向）にはＬＣＯＳは単なるミラーとして働くため、反射後の光は往路と同じ軌跡をたどり、ＰＬＣに再入射する。図４（ｂ）は、分散方向レンズＢ ４０３により異なる角度分散を与えられた３つの光がそれぞれＬＣＯＳ４０６の異なるｘ軸に集光する様子を示している。

スイッチ軸方向（ｙ軸方向）には、ＰＬＣに４０１に形成されたＳＢＴ回路によって出射ビーム径が所望の大きさに調整された状態でＰＬＣから空間へ出射する。図４（ａ）に示すように、ＰＬＣから出射したビームは主レンズ４０４でコリメートされ、どのＳＢＴから出た光もＬＣＯＳ４０６上の同じｙ座標位置に集光する。ＬＣＯＳでは各波長が所望の出力ポートから出射されるよう、反射角度が制御される。反射された光の光路は、再び主レンズ４０４を通り、ＰＬＣ４０１の端に集光するように再入射する。このとき、各波長の光は所望の出力ポートに接続されたＳＢＴに入射する。以上のように、波長スイッチが実現される。

特許文献１に示された構成と異なり、ＳＢＴは隣接アレイ導波路長差、すなわちΔＬが０であるから、波長依存性は原理的に生じない。したがって、特許文献１の従来例にあった、製造誤差に起因する中心波長ずれが原因となって起こる透過率低下の問題が起こらない。また、非特許文献１に示された構成と異なり、空間光学系が２ｆ系で構成されていることから、ＬＣＯＳでの偏向角をどの角度に設定しようとも、出力するポートによるＰＬＣへの再入射角度が異なることがなく、すべてＰＬＣに対して垂直に入射するため、出力ポートごとの挿入損失不均一性が回避できるという利点を有している。

図５は、本実施形態のＰＬＣ４０１のＳＢＴの回路構成を示す図である。図５において、アレイ導波路を部分Ａ ５０１、部分Ｂ ５０２、部分Ｃ ５０３、に分けて示している。図中下から導波路番号を＃１〜＃Ｎとする。

部分Ｂは、導波路間隔をｄ_１からｄ_２に変換する、導波路間隔変換構造であり、Ｓ字状の導波路によって構成されている。部分Ｂは、ｚ方向の幅をｓとする。ここにｄ_１は該構造のスラブ導波路側における導波路間隔であり、方向性結合が事実上無視できる程度に大きな値に設計される。したがって、それよりも左側の部分Ａにおいては、光結合が起こらない。ｄ_２は、導波路間隔変換構造の、出射端側の導波路間隔である。出射ビームの高次回折光の伝搬角を広げるため、ｄ_１よりも小さな値に設計される。部分Ｃでは、導波路は間隔ｄ_２で並置される。ｄ_２は長い距離伝搬すれば方向性結合が起こる程度の間隔であるが、部分Ｃの長さは十分短く設計されるため、方向性結合は起こらない。

部分Ｂ ５０２は、導波路番号がＮ／２に近いほど長さが短く、遠ざかるほど長さが長くなる。この長さずれは、部分Ａ ５０１によって相殺される。

また、本実施形態によれば、高次光をレンズの外部へ伝搬させることによって高次光がＳＢＴ端面に戻ることを回避する光学系を実現することが可能である。以下、図６を参照してこのことを概算により示す。

図６（ａ）はＰＬＣ４０１から主レンズ４０４までを示す図であり、図６（ｂ）はＰＬＣのビーム出射端の拡大図である。図６（ｂ）には、出射するビームのプロファイルも示している。ＰＬＣ４０１からレンズ４０４までの距離をＦ、ビームの波長をλ、チップ端でのアレイ導波路間隔をｄ、ＳＢＴ同士の間隔をＤ、ＳＢＴの個数をＮであるとする。また、ＳＢＴから出射するビームはガウシアンビームであるとし、そのビームウエスト半径が、定数ｋを用いてｋ×Ｄで表されるものとする。また、ガウシアンビームにおいては、ビームの中心から、電界振幅が０とみなせるほど小さくなるまでの距離は、ビームウエスト径の１．５倍であるとする。図６（ａ）において、３０２はＮ個のＳＢＴの内の中心から最も離れた位置に配列された２つのＳＢＴから出射された所望の次数の光（０次光）のビームを示し、３０３は当該２つのＳＢＴから出射された所望の次数の光に隣接する次数の光（±１次光）のビームを示す。図６（ａ）から、ｙ軸方向において、Ｎ個の＋１次光のビームとＮ個の−１次光のビームとの間にＮ個の０次光のビームが並ぶことが理解される。

ＳＢＴから出射した０次光のビーム径は、ガウシアンビーム光学の理論に従えば、主レンズ位置でλＦ／（ｋＤπ）と近似できる。いずれのＳＢＴから出射した０次光も主レンズ４０４の有効径に入っていなければならないから、主レンズの最小径（半値）は、図６（ａ）を参照して、

である。上記式からわかるように、本実施形態において、主レンズの最小径は、Ｎ個のＳＢＴの内の中心と当該中心から最も離れた位置に配列されたＳＢＴまでの距離にビームウエスト径の１．５倍を加えた量としている。

一方、±１次の光は０次の光からλＦ／ｄだけ離れて位置する。これは、間隔ｄの複数のスリットを通る回折を考えると容易に導出できる。よって、レンズの内部にこれを含めないためのレンズの最大径（半値）は、

である。上記式からわかるように、本実施形態において、主レンズの最大径は、Ｎ個のＳＢＴの内の中心と、当該中心から最も離れた位置に配列されたＳＢＴからの＋１次光（又は−１次光）の位置との距離から、ビームウエスト径の１．５倍を減じた量としている。このような光学系が実現可能な条件は、Ｇ＝Ｗｍａｘ−ＷｍｉｎとすればＧ＞０である。

いま、λ＝１．５５μｍ、Ｆ＝１５０ｍｍ、Ｄ＝２５０μｍ、Ｎ＝４０、ｋ＝０．２であるとする。

従来型ＳＢＴでは、ｄを、方向性結合が無視できる値に設計する。これを２５μｍであるとすると、Ｇ＝−５１４０．４μｍと負の値になり、前述の光学系は実現不可能であることがわかる。一方、本発明では、部分Ｂがあることにより方向性結合を回避しつつ導波路間隔を狭めることができる。ｄ＝１２μｍにしたとすると、Ｇ＝４９３４．６μｍと正の値になり、前述の光学系が実現可能となる。

このように、チップ端のごく近傍において導波路間隔を狭めることで、高次回折光をチップ端面に戻さないようにし、高次回折光に由来する隣接ポートへのクロストークが少ないＷＳＳを実現可能である。

先述したように、部分Ｂにおける光路長は等長とならない。このずれを部分Ａで補正する一方法について述べる。なお、補正する方法はこの限りではなく、部分Ａと部分Ｂを合わせてすべての導波路が等長になっていればどのような方法でもよい。

導波路番号をｋとしたとき、部分Ｂの導波路の長さＬｂ（ｋ）は、部分Ｂの両端のあいだのｙ方向の位置ずれ量（スラブ導波路側のｙ座標と出射端側のｙ座標との差）をΔｙ（ｋ）、ｚ方向の長さをｓとしたとき、式（１）のように書ける。

ここに、パラメータγは、

である。

次に、部分Ａをレイアウトする方法を説明する。図７は、部分Ａを部分Ａ−１，Ａ−２の２つの部分に分割する図である。図５では部分Ａはスラブ導波路を含んでいないが、ここではアレイ導波路の配置を決定する必要上、スラブ導波路まで含めて考える。直線Ｍは、部分Ａ−１，Ａ−２を分かつ境界線である。直線Ｐはチップ端に平行な直線である。直線Ｍが直線Ｐとなす角度をβとする。δは、アレイ導波路が直線Ｍに対してなす角度であり、すべての導波路について同じである。点Ａは入力導波路がスラブ導波路と接続される点で、アレイ導波路の始点は点Ａを中心とし、スラブ長Ｌ_ｆを半径とした円弧上に並んでいる。点Ａから直線Ｍに下した垂線を直線Ｑとする。

まず部分Ａ−１の決定方法について述べる。図８は部分Ａ−１の構成を示した図である。直線導波路８０１、曲げ導波路８０２、直線導波路８０３が接続されている。直線導波路８０１の長さをｆ_ｋ、直線導波路８０３の長さをｇ_ｋとすると、次のような連立方程式（２）を立てることができる。なお、β、δは事前に定めておく。

式（２）の第１式は終端が直線Ｍ上に乗る条件、式（２）の第２式は長さが所望の値になる条件である。ここに、ｕは曲げ導波路の半径、ｗ_ｋは直線Ｐと直線Ｍの交点から、直線Ｐと導波路の交点までの距離である。ｌ_ｋは、それぞれの導波路の長さである。

ｗ_ｋ、ｌ_ｋは以下の式（３）に示す等差数列になるように設定する。

ｄ_１は直線Ｐ上での導波路ピッチであり、ΔＬは光路長差である。式（３）の第２式からわかるように、部分Ａ−１では、導波路番号が若いほど長くなる。ｗ_１、ｌ_１は、式（２）において、ｆ_１、ｇ_１を初期値として与えることによって得られる。

以上をまとめると、以下の手順（１）〜（５）によってｆ_ｋ、ｇ_ｋを決定することができる。
手順（１） β、δ、ｆ_１、ｇ_１、ｕを適当な値に決める。
手順（２） 式（２）からｗ_１、ｌ_１を求める。
手順（３） 手順（２）で求めたｗ_１、ｌ_１と式（３）から、ｗ_ｋ、ｌ_ｋ（ｋ：２〜Ｎ）を求める。
手順（４） 式（２）から、ｆ_ｋ、ｇ_ｋ（ｋ：２〜Ｎ）を求める。
手順（５） 導波路同士が重なったり、長さが負の値になったりするなどの不都合が生じたら、手順（１）に戻って異なる値を設定し、手順（２）〜（４）を再度行うことを不都合が解消するまで繰り返す。

また、図８中のξ_ｋは、直線Ｐと直線Ｍの交点から、直線Ｍと導波路の交点までの距離であり、以下の式（４）で与えられる。これは部分Ａ−２の設計に必要である。

次に、部分Ａ−２の設計法について述べる。図９は、部分Ａ−２の構成について示した図である。直線導波路９０１、曲げ導波路９０２、直線導波路９０３からなっている。直線導波路９０１の長さをｐ_ｋ、曲げ導波路９０２の曲げ半径をｑ_ｋ、直線導波路９０３の長さをｒ_ｋとする。Ｗは点Ａから直線Ｍに下した垂線の長さである。φ_ｋは、ｋ番目のアレイ導波路が直線Ｑに対してなす角である。ここで満たされるべき連立方程式は式（５）のとおりである。φ_ｋは１番目のアレイ導波路の傾きφ_１が決まればすべてのｋについて自動的に定まる。

式（５）の第１式は長さが所望の値になるための式、式（５）の第２式は終端が直線Ｍ上に乗るための式、式（５）の第３式は、部分Ａ−１で設計したアレイ導波路と接続点が合うように直線Ｍ上での位置を定めるための式である。

ｌ_ｋ、ｈ_ｋは、次の式（６）で定める。式（６）の第１式によって、部分Ａ−１とＡ−２の接続点で位置ずれが起こらないようにする。式（６）の第２式によって、部分Ａ−２が部分Ａ−１と部分Ｂにおける導波路長差をまとめて補償し、部分Ａ−１、部分Ａ−２，部分Ｂの３部分の合計の長さが全ての導波路で等しくなるようにする。

ｌ_１、Ｗ、ｈ_１は、式（５）においてｐ_１、ｑ_１、ｒ_１を定めれば求めることができる。
以上まとめると、部分Ａ−２は次の手順（６）〜（１０）のように設計される。
手順（６） ｐ_１、ｑ_１、ｒ_１、φ_１を適当な値に決める。
手順（７） 式（５）からＷ、ｌ_１、ｈ_１を求める。
手順（８） 手順（７）で求めたｌ_１、ｈ_１と式（６）からｈ_ｋ、ｌ_ｋ（ｋ：２〜Ｎ）を求める。
手順（９） 式（５）から、ｐ_ｋ、ｑ_ｋ、ｒ_ｋ（ｋ：２〜Ｎ）を求める。φｋ（ｋ：２〜Ｎ）は、手順（６）の時点ですでに求まっている。
手順（１０） 導波路同士が重なったり、長さが負の値になったりするなどの不都合が生じたら、手順（６）に戻って異なる値を設定し、再び手順（７）〜（９）を行うことを不都合が解消するまで繰り返す。

以上のように設計した部分Ａ−２は、角度を３π／２−βだけ反時計回りに回転した後に平行移動すれば、部分Ａ−２に、角度ずれ・位置ずれなく接続することができる。こうして設計した部分Ａは、その長さが部分Ｂで生じた導波路長差を補正するようになっているから、部分Ａと部分Ｂは合わせて等長なアレイ導波路となる。

上記設計方法によれば、アレイ導波路は全て等長になる。すでに述べたように、アレイ導波路に等長でない分布を与えることもありうるが、その場合は式（６）の第２式を変更すれば、上記方法と同様の方法で実現可能である。

（実施形態２）
ところで、ＷＳＳとしてのポート数は、光偏向素子の最大偏向角で決定される。したがって、ポートを密に配置できる場合、配置が疎な場合に比べて、実現できるポート数は増大することになる。本実施形態２では、ビーム間隔を密にして、多ポート化を実現する方策を示す。

図１０は、本実施形態の光信号処理装置において用いるＰＬＣのＳＢＴの回路構成を示す図である。ＳＢＴの部分Ａ ５０１より左側の部分（部分Ａおよびスラブ導波路も含む）とＰＬＣ端面との距離が少しずつ異なっており、複数のＳＢＴを階段状に配置した構造になっている。このようにすると出力ビーム同士の幅を密にしてもＳＢＴ同士の干渉を避けることが可能になる。

この階段状配置は、部分Ｂ ５０２と部分Ａ ５０１の間に、長い直線導波路１００１を設けることによって可能になる。

部分Ｂ ５０２を有していない、非特許文献１で示された従来型ＳＢＴでは、密に並べるためにこのような直線導波路を設ける場合、方向性結合を避けるためには導波路間隔を広くしなくてはならず、先述した高次回折光が狭い角度で伝搬するという問題が避けられなかった。

上述したように本発明の実施形態では、ＳＢＴが部分Ｂ ５０２を有しているため、高次回折光の回折角の広さと、長い直線導波路１００１を用いた階段状配置を両立することができる。

このように、本実施形態によれば、高次光による悪影響無しに、従来型よりも狭い間隔で配列させることができるＳＢＴを提供可能であり、これを用いることで、ＷＳＳを多ポート化することができる。

なお、上記実施形態では、光信号処理装置をＷＳＳとして動作させる例を説明したが、本願発明の光信号処理装置は、特定の波長の光を出力ポートに結合させないように波長ブロッカーとして動作させることもできる。

以上説明したように本願発明によれば、ＳＢＴを有するＰＬＣとＬＣＯＳとの間の空間光学系が焦点距離をｆとする主レンズのよる２ｆ系で構成され、ＰＬＣに再入射する光の角度が垂直となる為、出力ポート間の挿入損失が等しい光信号処理装置を提供することが可能となる。また、ＰＬＣのＬＣＯＳ側の端の極近傍においてＳＢＴを構成する導波路の間隔を狭めることにより、高次光のＳＢＴへの再入射を防止し高次光に起因するＳＢＴ間のクロストークを抑制した光信号処理装置を提供することが可能となる。

１０１ 石英系平面光波回路（ＰＬＣ）
１０２，１０４ レンズ
１０３ 回折格子
１０５ ビーム偏向素子、ＬＣＯＳ
１０６ 入力導波路
１０７ スラブ導波路
１０８ アレイ導波路
２０２ シリンドリカルレンズ
２０３ 主レンズ
２０４ ＬＣＯＳ
３０２，３０３ ビーム
４０１ ＰＬＣ
４０２，４０３ 分散方向レンズ
４０４ 主レンズ
４０５ 回折格子
４０６ 液晶位相変調器，ＬＣＯＳ
１００１ 直線導波路

Claims (8)

1. 少なくとも１つの入力導波路、前記入力導波路に接続されたスラブ導波路、および前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路からなるアレイ導波路格子を含む光導波路基板と、
   前記光導波路基板の端面から出力される光ビームを導波する空間光学系と
   を備えた光信号処理装置であって、
   前記アレイ導波路は、複数の導波路の列であり、前記光導波路基板の端面の近傍において、導波路間隔が広い部分と、導波路間隔を狭く変換する部分と、導波路間隔が狭い部分とがこの順に接続された構造を有する、ことを特徴とする光信号処理装置。
2. 前記光導波路基板の端面に対して、前記光ビームの主光線がなす角度が、波長によって異ならないこと、を特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
3. Ｎを２以上の整数とし、ｋを１以上Ｎ以下の整数とし、前記複数の導波路の列がＮ本の導波路の列であり、前記複数の導波路の列の任意の一方の端からｋ番目の導波路の長さをＬ（ｋ）と定義したとき、何れのｋに対してもＬ（ｋ）＝Ｌ（Ｎ＋１−ｋ）が成り立つ、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
4. 前記複数の導波路の長さが、全て等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光信号処理装置。
5. 前記導波路間隔を狭く変換する部分において生じる導波路長の差分を補正するための補正領域を、前記スラブ導波路と前記導波路間隔を狭く変換する部分との間に備えた、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光信号処理装置。
6. 前記補正領域は第１の領域と第２の領域とを有し、前記複数の導波路は、前記第１の領域において導波路長が順次長くなり、前記第２の領域において導波路長が順次短くなるように構成された、ことを特徴とする請求項５に記載の光信号処理装置。
7. 前記光導波路基板に、複数の前記アレイ導波路格子を備えた、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号処理装置。
8. 前記アレイ導波路格子を構成する前記スラブ導波路の前記光導波路基板の端面からの距離が、前記アレイ導波路格子毎に異なること、を特徴とする請求項７に記載の光信号処理装置。

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